一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，该机器人包括手部震颤模拟系统、震颤激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统。本发明专利技术提出一种利用机械机构模拟腕关节震颤运动的机器人装置。手部震颤模拟系统工作时，震颤运动检测系统感知手部震颤模拟系统的运动信息，验证现有的“震颤”运动与控制算法所要求的“震颤”运动是否一致；通过信号处理与控制系统的作用，可以改变手部震颤模拟系统的幅度和频率，使该机器人产生所需要的震颤运动。有效地解决了出于安全和技术原因无法多次在真实的震颤患者身上验证震颤策略的问题，对于新的震颤抑制策略的研究具有重要的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人
本专利技术属于医疗机器人领域、实验机器人领域，具体是指一种用于模仿人体腕关节震颤运动的三自由度全驱动震颤仿真机器人平台。
技术介绍
震颤是一种不自主的、有节律性的、近似正弦往返摆动的肢体运动。40岁以上的中老年人有5%的人患有震颤疾病，特别是帕金森氏病，为近一二十年发病率呈上升趋势的常见病，患病率每10万人西方106-307人，亚洲为44-82人，非洲31-58人，60岁以上人群中PD的患病率约达1%。震颤常见与人的肢体特别是手臂，影响精细动作、书写和餐饮，严重时可对病人的日常生活、工作、社会交往等带来诸多不便。尽管目前国内外很多研究机构对震颤研究很多年，但总的来说，存在如下问题:1.由于目前震颤的机理和起源至今尚未明确，对于震颤的治疗大多采用探索性方式，无法从根本上治愈；2.各种治疗药物虽能使震颤患者的临床症状在一定时间内获得一定程度的好转，但均不能阻止本病的自然进展，且各种药物都有不同程度的副反应，因而限制了其自身在临床上的应用；3.目前，一些较为先进的疗法尚处于研究阶段，虽然实验证明能较明显的提高该病的临床缓解率，减少了副作用，但也存在价格昂贵、远期疗效尚难肯定等问题。 研究表明，除了常规药物治疗之外，生物力加载(b1mechanical loading)、功能性神经肌肉刺激(Funct1nal neuromuscular stimulat1ns, FNS)技术以及康复训练等是抑制震颤运动的有效措施。生物力加载技术是一种通过外部系统向人体施加机械负载，旨在改变肢体的肌肉-骨骼系统生物力学特征的技术，通过向神经肌肉系统的外围终端(例如“四肢”)施加“定量”的机械负载，可以有效改变震颤运动的状态，补偿或者抵消引起手臂震颤振动响应，达到抑制腕关节震颤的目的。 “非药理学”震颤运动抑制的研究主要开展手臂震颤识别与实时建模、震颤信号提取与处理、震颤运动抑制策略以及构建震颤抑制实验装置等方面的研究。震颤抑制措施的研究主要集中在震颤运动的“表象”——震颤信号。出于安全性和震颤抑制策略的实验要求考虑，这里需要设计一种可以模拟人体腕关节震颤运动的机器人装置，用于模拟手部震颤运动。设计这种装置的目的和优点在于:1)通过控制电机的转速，可以调节假肢手部的震颤幅度和频率，模拟任意频率的震颤运动；2)通过外加震颤抑制信号，可以改变假肢手部的震颤幅度和频率，以验证震颤抑制措施的有效性和安全性，有效的解决由于安全和技术原因无法多次在真实的震颤患者身上验证震颤策略的问题。 James Z, Zhang,在 “Detect1n of Involuntary Human Hand Mot1ns UsingEmpirical Mode Decomposit1n and Hilbert - Huang Transform” 文章中，设ii 种两自由度的手臂震颤模拟平台，主要有三部分组成:震颤模拟发生器，传感器接口和数据采集装置。震颤模拟发生器用于产生手臂震颤信号，并且用一个3轴加速度传感器网络。为了仿真手臂的震颤运动，这种装配主要利用安装在手臂旁边的推式电磁铁来模拟震颤运动。但是，由于设计上的缺陷，这种手臂震颤模拟平台存在如下缺点:1)只能模仿两个方向的手臂震颤运动，对震颤运动的分析工作不完善；2)由于仅安装了加速度传感器来采集运动信号，导致震颤运动信号的表现特征过于单一。 申请者在“基于外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究” 一文中，设计了一种可以模拟人体震颤运动的机器人装置。该平台可以实现两自由度的手臂运动，可以产生频率1-20HZ的震颤运动。这种平台的优点在于:通过控制电机的转速，可以调节假肢手臂的震颤幅度和频率，模拟任意频率的震颤运动。但是，由于机械装置设置上的局限性，这个平台只能模仿前臂上下运动和前臂的旋内/外运动。这导致其对震颤运动的仿真不完善。
技术实现思路
针对现有“非药理学”手臂震颤抑制策略的存在的问题和不足，本专利技术公开一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，在应用某一种震颤抑制策略进行人体实验时，首先在该机器人上进行仿真实验，既能验证该方法的正确性，又能提高该方法的安全性，解决了进行震颤抑制策略验证时需要多次采集震颤患者手部震颤信号的问题，大大缩短了新方法的研究进程。 本专利技术的技术方案是:一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，包括手部震颤模拟系统、震颤激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统；手部震颤模拟系统包括工作台、设于工作台上的假肢手部、手部内外扭转机构、手部上下运动机构和手部旋转机构；震颤激励系统包括用于实现手部内/外扭转运动的直流电机系统，用于实现前臂上/下运动的直流电机系统和用于实现手部旋转运动的直流电机系统；震颤运动检测系统包括手指三维加速度传感器和手背惯性传感器单元，通过柔性连接装置分别安装在手指和手背；信号处理与控制系统固定在工作台上；所述假肢手部通过手部内外扭转机构外罩与震颤激励系统连接；所述手部内外扭转运动直流电机系统包括手部内/外扭转运动直流电机、手部内/外扭转运动直流电机减速系统以及刚性固定装置-旋转电机安装座；所述手部上/下运动直流电机系统包括俯仰电机安装座、俯仰轴、俯仰电机安装法兰、俯仰运动直流电机、俯仰运动直流电机减速器和刚性连接构件；所述手部旋转直流电机系统包括绕X轴旋转电机安装座、偏转电机安装法兰和偏航驱动电机。 所述刚性连接构件包括刚性固定装置-旋转电机安装座、刚性连接构件和偏转电机安装法兰。 [0011 ] 所述手部内外扭转机构包括刚性固定装置-旋转电机安装座，手部内/外扭转运动直流电机减速系统和手部内/外扭转运动直流电机；所述手部内/外扭转运动直流电机通过手部内/外扭转运动直流电机减速系统、扭转电机安装法兰和旋转轴与假肢手部相连接，通过刚性连接构件和与手部上/下运动机构相连接。所述手部上/下运动机构包括俯仰电机安装座、俯仰轴、俯仰电机安装法兰、俯仰运动直流电机、俯仰运动直流电机减速系统和刚性连接构件；所述俯仰运动直流电机通过俯仰电机安装法兰固定在俯仰电机安装座，俯仰运动直流电机减速系统通过刚性连接构件与手部旋转机构相连接。所述手部旋转机构包括绕X轴旋转电机安装座、偏航运动直流电机安装法兰、偏航运动直流电机减速系统和偏航运动直流电机；所述偏航运动直流电机通过偏航运动直流电机安装法兰固定在X轴旋转电机安装座，并最终固定在工作台上，实现假肢手部的绕水平面X轴的旋转运动。 所述的震颤运动检测系统还包括假肢手部内/外扭转运动直流电机编码器、假肢手部上/下运动直流电机编码器和假肢手部旋转运动直流电机编码器，分别用于测量假肢手部内/外扭转运动电机、假肢手部上/下运动电机和假肢手部旋转运动电机的实际转动位置；所述假肢手部惯性传感器单元，由倾角仪、陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置固定在假肢手部处，用来获取:a)手部上下运动的位移、速度和线加速度；b)手部旋内/外运动的角位移、角速度和线加速度；c)手部左右运动的位移、速度和线加速度；所述三维加速度传感器由假肢食指三维加速度传感器、假肢中指三维加速度传感器和假肢无名指三维加速度传感器构成，分别用于测量食本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，其特征在于：包括手部震颤模拟系统（100）、震颤激励系统（200）、震颤运动检测系统（300）、信号处理与控制系统（400）；手部震颤模拟系统（100）包括工作台（000）、设于工作台上的假肢手部（14）、手部内/外扭转机构（11）、手部上/下运动机构（12）和手部旋转机构（13）；震颤激励系统（200）包括手部内/外扭转运动直流电机系统（21），手部上/下运动直流电机系统（22）和手部旋转运动直流电机系统（23）；震颤运动检测系统（300）包括手指三维加速度传感器和手背惯性传感器单元（301,302），通过柔性连接装置（306）分别安装在手指和手背；信号处理与控制系统（400）固定在工作台（000）上；所述假肢手部（14）通过旋转轴（113）和手部内外扭转机构外罩（15）与震颤激励系统（200）连接；所述手部内/外扭转运动直流电机系统（21）包括手部内/外扭转运动直流电机（112）、手部内/外扭转运动直流电机减速系统（211）以及刚性固定装置‑旋转电机安装座（110）；所述手部上/下运动直流电机系统（22）包括俯仰电机安装座（120）、俯仰轴（121）、俯仰电机安装法兰（122）、俯仰驱动电机（123）、减速器（124）和上下运动刚性连接构件（125）；所述手部旋转直流电机系统（23）包括绕X轴旋转电机安装座（130）、偏转电机安装法兰（131）和偏航驱动电机（132）。...

【技术特征摘要】
1.一种三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，其特征在于:包括手部震颤模拟系统(100)、震颤激励系统(200)、震颤运动检测系统(300)、信号处理与控制系统(400);手部震颤模拟系统(100)包括工作台(000)、设于工作台上的假肢手部(14)、手部内/外扭转机构(11)、手部上/下运动机构(12)和手部旋转机构(13);震颤激励系统(200)包括手部内/外扭转运动直流电机系统(21)，手部上/下运动直流电机系统(22)和手部旋转运动直流电机系统(23);震颤运动检测系统(300)包括手指三维加速度传感器和手背惯性传感器单元(301，302)，通过柔性连接装置(306)分别安装在手指和手背；信号处理与控制系统(400)固定在工作台(000)上；所述假肢手部(14)通过旋转轴(113)和手部内外扭转机构外罩(15)与震颤激励系统(200)连接；所述手部内/外扭转运动直流电机系统(21)包括手部内/外扭转运动直流电机(112)、手部内/外扭转运动直流电机减速系统(211)以及刚性固定装置-旋转电机安装座(I 10);所述手部上/下运动直流电机系统(22)包括俯仰电机安装座(120)、俯仰轴(121)、俯仰电机安装法兰(122)、俯仰驱动电机(123)、减速器(124)和上下运动刚性连接构件(125);所述手部旋转直流电机系统(23)包括绕X轴旋转电机安装座(130)、偏转电机安装法兰(131)和偏航驱动电机(132)。2.根据权利要求1所述的三自由度微型仿腕关节震颤运动仿真机器人，其特征在于:所述手部内/外扭转机构(11)包括刚性固定装置-旋转电机安装座(110)，扭转电机安装法兰(111)和手部内/外扭转运动直流电机(112);所述手部内/外扭转运动直流电机(112)通过扭转电机安装法兰(111)和旋转轴(113)与假肢手部(14)相连接，通过上下运动刚性连接构件(125)与手部上/下运动机构(12)相连接；所述手部上/下运动机构(12)包括俯仰电机安装座(120)、俯仰轴(121)、俯仰电机安装法兰(122)、俯仰运动直流电机(123)、俯仰运动直流电机减速系统(124)和上下运动刚性连接构件(125);所述俯仰运动直流电机(123 )通过俯仰电机安装法兰(122 )固定在俯仰电机安装座(120 )，俯仰电机减速系统(124)通过上下运动刚性连接构件(125)与手部旋转机构(13)相连接，所述手部旋转机构(13)包括绕X轴旋转电机安装座(130)、偏航运动直流电机安装法兰(131)、偏航运动直流电机减速系统(133)和偏航运动直流电机(132);所述偏航运动直流电机(132)通过偏航运动直流电机安装法兰(131)固定在X轴旋转电机安装座(130)，并最终固定在工作台(000)上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建，常礼，汪步云，马成学，刘媛，孙玉香，曹会斌，高理富，葛运建，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34